基於IGA的船體結構參數化幾何精確有限元法研究

《基於IGA的船體結構參數化幾何精確有限元法研究》是依託大連理工大學,由於雁雲擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於IGA的船體結構參數化幾何精確有限元法研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：於雁雲

項目摘要

船體結構有限元分析在構造近似數值解時，需要將結構簡化後離散為拓撲格線。模型簡化誤差和幾何離散誤差是降低船體結構有限元法可靠性的主導因素，繁瑣的前處理與不具可變性的格線是提高分析效率的主要障礙。針對上述問題，將等幾何分析（IGA）與參數化技術相結合套用於船體結構設計，提出一種船體結構幾何精確有限元法。採用參數化曲面精確表達船體結構，基於幾何約束求解實現模型的參數驅動。以NURBS基函式為形函式描述位移場變數，根據船體結構特點建立並離散化IGA控制方程，基於等參元原理構造加筋薄壁結構的IGA殼單元與梁單元，建立並求解總體平衡方程完成數值計算。該方法基於幾何精確模型完成結構數值分析，具有更高的精度。參數化模型具有良好的可變性，滿足結構快速建模與修改、系列化設計及形狀最佳化等要求。本項目研究為船體結構強度分析提供一種新方法，可有效提高數值計算精度和設計效率，並為船體結構CAD與CAE一體化奠定基礎。

結題摘要

船體結構有限元分析在構造近似數值解時，需要將結構簡化後離散為拓撲格線。模型簡化誤差和幾何離散誤差是降低船體結構有限元法可靠性的主導因素，繁瑣的前處理與不具可變性的格線是提高分析效率的主要障礙。針對上述問題，將等幾何分析（IGA）與參數化技術相結合套用於船體結構設計，提出一種船體結構幾何精確有限元法。採用參數化曲面精確表達船體結構，基於幾何約束求解實現模型的參數驅動。以NURBS基函式為形函式描述位移場變數，根據船體結構特點建立並離散化IGA控制方程，基於等參元原理構造加筋薄壁結構的IGA殼單元與梁單元，建立並求解總體平衡方程完成數值計算。以典型船體結構分段為例，將ANSYS軟體數值計算結果作為標準，驗證船體結構IGA分析方法的準確性。在典型工況下，船體結構IGA計算的結構變形與ANSYS計算值的誤差小於1mm，證明船體結構IGA方法的正確性。將浮力作為船體曲面的固有屬性，修正單元的剛度矩陣，通過求解IGA整體平衡方程，實現船體結構的浮態與結構變形耦合分析，一方面計算結果更為合理精確，另一方面可避免計算與施加浮力、施加Z方向約束等繁瑣過程。將上述基於流固耦合的IGA算法套用於一條15000噸下水工作船的漂浮結構分析問題中，典型的中拱、中垂、縱傾及扭轉工況下，基於流固耦合IGA算法的結構變形計算結果與ANSYS軟體的計算結果之間誤差小於1mm，證明算法的正確性與精確性。提出一種基於IGA模型的船體結構瞬態分析方法，考慮到船舶自身重力載荷、裝載貨物重力載荷、舷外靜水壓力載荷、波浪水動壓力載荷，建立基於IGA的船體結構瞬態分析模型。基於HHT方法建立瞬態分析離散方程組，求解方程組得到控制頂點處位移動態回響，完成船體結構動態分析。該方法基於幾何精確模型完成結構數值分析，具有更高的精度。參數化模型具有良好的可變性，滿足結構快速建模與修改、系列化設計及形狀最佳化等要求。本項目研究為船體結構強度分析提供一種新方法，可有效提高數值計算精度和設計效率，並為船體結構CAD與CAE一體化奠定基礎。